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Cycle du Carbone Carbone et quelques applications biotechnologiques.

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1 Cycle du Carbone Carbone et quelques applications biotechnologiques

2 I : Le cycle du Carbone II :Synthèse dexopolysaccharides microbiens III : La méthanogénèse

3 I – Le cycle du carbone : forme simplifiée Processus aérobie Processus anaérobie CO 2 CO Formes minérales (CH 2 O)n Formes organiques AUTOTROPHES Organismes photosynthétiques, algues vertes, cyanobactéries HETEROTROPHES Respiration, décarboxylation, fermentation … De très nombreux micro-organismes

4 C organique I – Le cycle du carbone : Algues, Bactéries, plantes Biomasse microbienne NUTRITION Animaux NUTRITION CO 2 Chimioautotrophes phototrophes CH 4 méthanogènes méthylotrophes CH 4 méthanogènes méthylotrophes FERMENTATION Réserve de C organique Mort / dégradation Excrétion Mort / dégradation NUTRITION Hétérotrophes (Saprophytes) O2O2 H2OH2O RESPIRATION

5 Production de la matière organique Fixation autotrophe Cycle de Calvin / rubisco (phase obscure de la photosynthèse) Cycle de Calvin Cycle de loxaloacétate (inverse du cycle de Krebs) Cycle de loxaloacétate Assimilation hétérotrophe

6 Dégradation de la matière organique : les polymères Deux fonctions : énergie, structure Décomposition des polymères : variable selon leurs structures Amidon : facile, tout type de microorganisme Cellulose, lignine : très abondant mais peu de microorganismes peuvent les dégrader Cellulose Aérobiose : Trichoderma (moisissure), Cytophaga (bactérie) Anaérobiose : Clostridium thermocellum (compostage)

7 Dégradation de la matière organique : les monomères Glucides : Glycolyse, Entner Doudoroff, HMP Aérobiose : décarboxylation oxydative Anaérobiose : fermentations : divers produits Acides aminés : Transamination Désamination, décarboxylation Lipides oxydation, glycolyse (glycérol en aérobiose)

8 II – Les exopolysaccharides microbiens Homo ou hétéro polymères Sous forme de capsule ou en gel (slime) autour de la cellule Rôles : Protection / dessiccation, système immunitaire (pathogène), virus, produits chimique Facilite lattachement aux surfaces Réserve de carbone et dénergie

9 Exemples dexopolysaccharides microbiens Alginate Hétéropolymère linéaire d'acide L-guluronic et D-mannuronic contenant quelques groupement O-acetyl Pseudomonas Azotobacter vinlandii Stabilisant IAA texturant dans industrie papetière et textile Cellulose Homopolymère : 1-4 glucane Acetobacter xylinumPeau artificielle temporaire : traitement des brûlés et chirurgies membrane acoustique ingrédient alimentaire Chitine Homopolymère : N acetyl glucosamine et ces dérivés déacétylés (chitosane) Paroi des champignonsActuellement carapace des crustacés + rapide d'extraire à partir des champignons agent chélatant : conservateur et clarifiant Curdlane Homopolymère : 1-3 glucane Alcaligenes Agrobacterium Utiliser au japon comme agent gélifiant dans de nombreuses préparations alimentaires (non homologué en EU et US) Dextrane Leuconostoc mesenteroïdes Supplément plasmatique

10 Cas de la production de xanthane Xanthomonas campestris Petit bacille Gram, aérobie, mobile Parasite de nombreuses plantes (riz, choux, citron) Producteur de xanthane (gomme) Xanthane Gel stable à hautes températures tonnes /an Agent gélifiant et stabilisant : (E415) sauce salade, crème glacée, pâte dentifrice, cosmétiques, peintures à leau Lubrifiant de forage

11 Schéma de la production de xanthane Réalisation de l'inoculum (préculture) Ensemencement à 5% (v/v) Fermentation Pasteurisation du moût Purification de la gomme Centrifugation ou filtration Précipitation de la gomme Ajout de solvants Séchage sur filtre rotatif ou vaporisation Conditionnement Recyclage du solvant Milieu riche développement de la biomasse Fed Batch : STR 50 à 200 m 3 Facteur limitant : N (D : à 0.05 h -1 ) Aération : 1 vvm Source de C : amidon, dextrines, mélasse, lactosérum, sirop de maïs, … Source dN : caséine, farine de poisson, sels dammonium, peptones, corn steep, urée, … Température : 28 à 30°C pH : 7 Durée : 3 jours Métabolite partiellement associé 25 à 50 g/L développement des propriétés des xanthanes

12 III – La méthanogènèse et la transformation des déchets Biomasse valorisable Plantes aquatiques & terrestres Déchets animaux : fumier, lisier, fiente … Déchets humains : boues des stations, ordures ménagères, matières de vidanges, … Déchets industriels Techniques de valorisation Conversion chimique ou enzymatique Bioproduction Fermentation Aérobie : compostage, formation de POU Anaérobie : méthanique, éthanolique, cétobutyrique

13 Les étapes de la fermentation anérobie CH 4 + CO 2 B Méthanogènes acétoclastes B homoacétogènes CH 4 B méthanogènes hydrogénophiles Acétate Hydrolyse et acidogenèse Acétogenèse Méthanogenèse Macro molécules Monomères Hydrolyse enzymatique B acidogènes Clostridium Bacillus B acétogènes B acidogènes Bactéries aérobies facultatives ou anaérobies Acides organiques, alcools... CO 2 + H 2

14 Bactéries acétogènes Homo-acétogènes : Clostridium, Acetobacterium Production uniquement dacétate à partir de de CO 2 ou de substrat carboné Bactéries syntrophes Pression partielle en H 2 très basses Vie en association avec bactéries méthanogènes hydrophiles & bactéries sulfatoréductrices Bactéries sulfatoréductrices

15 Exemples de réactions de conversion dans les écosystèmes anaérobies RéactionsÉnergie libre G° (kJ) Bactéries hydrolytiques lactate + H 2 > propionate + H ,9 glucose + 4H 2 0 > 2 acétate HC H + + 4H ,3 Bactéries acétogènes productrices d'hydrogène propionate - + 3H 2 0 > acétate - + HC H + +3H ,1 butyrate - + 2H 2 0 > 2 acétate - + H + + 2H ,1 éthanol + H 2 0 > acétate - + H + + 2H 2 + 9,6 Bactéries méthanogènes HC H 2 + H + > CH 4 + 3H ,6 acétate - + H 2 0 > CH 4 + HC ,0

16 Fermentation méthanique Bactéries autotrophes Homoacétogène Méthanogènes hydrogénophiles (tractus intestinal des ruminants) Bactéries hétérotrophes Méthanogènes acétoclastes (70% de la production de biogaz) Voies productrices dénergie chimique

17 Équivalence énergétique 1 kg de glucose = 814L de gaz : CH 4 & CO 2 (v/v) 1 m 3 de méthane kcal 1,15 L d'essence 1,7 L d'alcool à brûler 0,94 m 3 de gaz naturel 1 L de mazout 2,1 kg bois 9,7 kW/h délectricité 1,3 kg de charbon


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